4.1. Hétérogénéité du tissu musculaire : les différents types de fibres.
L’hétérogénéité des muscles squelettiques est liée à une très grande variabilité des propriétés mécaniques, biochimique et métabolique des fibres individuelles ; les propriétés des muscles vont résulter de la prédominance de l’un ou l’autre des différents types de fibres. Les muscles de l’organisme sont ainsi constitués d’un mélange des différents types de fibres, ce qui leur confère une certaine vitesse de contraction et une certaine résistance à la fatigue. L’hétérogénéité des fibres composant un muscle sera à l’origine de sa spécificité physiologique. Ainsi, un muscle postural, permettant le maintien en position assise ou debout, est constitué essentiellement de fibres lentes de type I (dont les propriétés seront définies ci- après ; figure 15), tandis que les muscles impliqués dans le mouvement sont principalement constitués de fibres rapides de type II. Les fibres musculaires sont classées selon différents critères incluant : (i) la coloration des fibres (rouge vs blanche), en corrélation avec le contenu en myoglobine ; (ii) les propriétés contractiles des unités motrices (l’unité motrice étant la plus petite unité fonctionnelle du muscle, constituée par un motoneurone α, et les fibres musculaires qu’il innerve) en réponse à la stimulation électrique ; (iii) la vitesse de raccourcissement lors d’une secousse simple (lente vs rapide) ; (iv) le degré de fatigabilité lors d’une activation soutenue (fatigable vs résistante à la fatigue) ; (v) la prédominance de voies enzymatiques ou métaboliques (métabolisme oxydatif vs glycolytique), en lien avec le nombre de mitochondries que contient la fibre ; (vi) l’activité de la myosine ATPase ; (vii) la
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des isoformes de protéines contractiles et régulatrices (Galpin et al., 2012 ; Schiaffino & Reggiani, 2011).
La classification la plus couramment utilisée définit trois types de fibres : le type I (fibre lente, oxydative, résistante à la fatigue), le type IIA (fibre rapide, aux propriétés métaboliques intermédiaires), et le type IIX/IIB (fibre rapide, glycolytique, fatigable) (figure 15).
4.2. Expression des protéines myofibrillaires selon le type de fibre.
Il existe un haut degré de variabilité moléculaire au sein du sarcomère, due à l’existence de multiples isoformes de chaque composant myofibrillaire. Les fibres lentes expriment les isoformes lentes des protéines contractiles et régulatrices, et les fibres rapides les isoformes rapides. Les isoformes des protéines myofibrillaires sont donc spécifiques du type et de la fonction de la fibre, et peuvent être utilisées comme marqueurs pour les différents types de fibres dans le muscle squelettique.
Outre les fibres musculaires purement rapides et les fibres musculaires purement lentes, il existe des fibres dites hybrides selon l’hétérogénéité des protéines contractiles qu’elles expriment, en particulier les MHC. Ainsi, on a longtemps distingué les fibres pures (exprimant soit de la MHC-I lente, soit de la MHC-II rapide) des fibres hybrides (coexprimant des isoformes rapides et lentes de MHC) (Pette & Staron, 1990). En réalité, il existe aujourd’hui de nombreuses données qui montrent que les fibres musculaires présentent des patterns d’expression hétérogènes pour de nombreuses autres protéines que les MHC. Ainsi il Figure 15 : Les différents types de fibres musculaires. (A) Coupes histologiques de muscle squelettique permettant de mettre en évidence les deux types de fibres musculaires, lentes et rapides. (B) Propriétés des différents types de fibres musculaires de mammifères (d’après Gundersen, 2011).
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a été démontré que des fibres musculaires pouvaient exprimer exclusivement une isoforme lente de MHC, mais à la fois des isoformes lentes et rapides de MLC (Bortolotto et al., 2000 ; Mizusawa et al., 1982 ; Stevens et al., 2004). Sur la base de leur composition en MHC, ces fibres pourraient donc être considérées comme purement lentes, alors qu’elles sont hybrides et présentent une hétérogénéité pour d’autres protéines contractiles. Il existe d’autre part une hétérogénéité en fonction de l’expression des protéines régulatrices ; ainsi, on peut avoir une expression de MHC-I accompagnée de l’expression d’isoformes lentes et rapides de protéines régulatrices (Bastide et al., 2002 ; Kischel et al., 2005).
Les fibres lentes et rapides peuvent également être différenciées en considérant l’expression des enzymes du métabolisme énergétique, en particulier des enzymes de l’activité oxydative ou de l’activité glycolytique (Fitts et al., 1989 ; Pette & Staron, 1990). Enfin, un certain nombre de protéines participant à la régulation de l’homéostasie calcique sont également exprimées différentiellement (Bastide et al., 2000 ; Conti et al., 1996 ; Huber & Pette, 1996 ; Leberer & Pette, 1986 ; MacLennan et al., 1997).
4.3. Transition entre les différents types de fibres musculaires : la plasticité musculaire
4.3.1. Le muscle, une structure plastique.
Le muscle est une structure capable de s’adapter à des changements de l’environnement physiologique ou physique grâce à une plasticité qui peut affecter l’ensemble de ses composantes. Ainsi, les fibres musculaires sont des structures dynamiques ; leur composition moléculaire et leurs propriétés contractiles peuvent se modifier sous l’influence de différents facteurs tels que l’âge, l’innervation, les facteurs de croissance, les hormones, l’activité neuromusculaire et la charge mécanique imposée. Cette plasticité s’observe en différentes circonstances (développement, vieillissement, maladies neuromusculaire, exercice, inactivité physique, immobilisation…). La plasticité concerne le phénotype musculaire (on pourra observer la transition d’un muscle lent en un muscle rapide par exemple), mais aussi la masse musculaire (atrophie musculaire vs hypertrophie).
L’atrophie fonctionnelle dans laquelle un muscle de phénotype lent acquiert un phénotype rapide peut être induite par un modèle expérimental chez le rongeur (Morey et al., 1979 ; Musacchia & Deavers, 1980), dans lequel le train arrière du rat est surélevé par la queue ou par un harnais abdominal. L’animal peut se déplacer grâce à ses membres antérieurs, et avoir ainsi librement accès à l’eau et à la nourriture. Dans ces conditions, le système musculo-squelettique des membres postérieurs se trouve en hypodynamie (absence de charge corporelle), et en hypokinésie (réduction des activités motrices), d’où la dénomination d’hypodynamie-hypokinésie (HH). Cette plasticité se traduit par une transition phénotypique du muscle lent en un muscle rapide, tant au niveau des propriétés contractiles que des propriétés métaboliques, et l’atrophie résultante s’accompagne d’une diminution de la force musculaire.
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4.3.2. Plasticité des fibres musculaires squelettiques dans le modèle d’hypodynamie-hypokinésie.
L’atrophie et la perte de fonction musculaires sont fréquemment rencontrées dans certaines pathologies musculaires. Ce sont également des problèmes sérieux consécutifs lors du vieillissement, de l’inactivité physique, de l’immobilisation, ou résulter d’autres pathologies telles que le cancer ou l’insuffisance cardiaque…
Les causes de la réduction du travail musculaire pourraient impliquer des processus affectant l’étendue et la fréquence d’activation de l’unité motrice, la transmission synaptique neuromusculaire, le couplage excitation-contraction, ainsi que le mécanisme intime de la contraction musculaire faisant intervenir les protéines myofibrillaires (McDonald et al., 1994). Les effets de l’HH sont variés ; tout d’abord, elle conduit à une diminution de la masse du muscle, particulièrement marquée pour les muscles antigravitaires tels que le soléaire (Staron et al., 1998), s’accompagnant d’une diminution du contenu en protéines myofibrillaires de l’ordre de 50% (McDonald & Fitts, 1995). Cette atrophie est due à la diminution de la section des fibres et non à la diminution du nombre de fibres (Templeton et al., 1988), et elle est associée à une diminution de la concentration en protéines totales liée à une augmentation du taux de dégradation et une diminution de la synthèse protéiques (Edgerton & Roy, 1991 ; Goldspink et al., 1986 ; Steffen & Musacchia, 1985 ; Thomason et al., 1989).
On note également une diminution de la sensibilité calcique, en partie liée à l’expression d’isoformes rapides de protéines contractiles (MHC) et régulatrices (TnT, TnI et TnC) de la contraction dans les fibres atrophiées (Bastide et al., 2002 ; Stevens et al., 1993 ; Stevens et al., 2002), ainsi que des protéines du réticulum sarcoplasmique comme le RyR (Bastide et al., 2000). Le muscle soléaire, lent, se transforme en un muscle rapide ; cette transformation d’un phénotype lent en un phénotype rapide est caractérisée par une augmentation de la proportion des fibres de type II au détriment des fibres de type I (Stevens et al., 1999).
Les propriétés métaboliques sont également changées (Desplanches, 1997). Le soléaire va acquérir les caractéristiques d’un métabolisme de type glycolytique, typique des fibres rapides (Fitts et al., 1989) ; le potentiel oxydatif des fibres atrophiées n’est cependant pas modifié (Desplanches et al., 1991 ; Manchester et al., 1990). En conséquence, les muscles lents vont présenter une plus grande susceptibilité à la fatigue musculaire (Baldwin et al., 1993 ; Caiozzo et al., 1994).
Seconde partie
La O-N-acétyl-β-D-
glucosaminylation
Introduction La O-GlcNAcylation